[发明专利]一种SiC短纤维复合材料及复合包壳管及其制备方法

说明书

本发明公开了一种SiC短纤维复合材料及复合包壳管及其制备方法，解决了现有SiC/SiC复合材料包壳管的制备方法导致制备工艺以及制备出的包壳管存在较多缺陷的问题。本发明公开了一种SiC短纤维复合材料，包括悬浮液、粘接剂、增塑剂和消泡剂，所述悬浮液包括50‑65wt％混合粉体、30‑45wt％的溶剂和0.5‑5wt％的分散剂；其中，混合粉体由SiC材料和烧结助剂组成，SiC材料由SiC纤维和SiC颗粒组成，SiC纤维和SiC颗粒的体积比为20‑40:60‑80；烧结助剂占SiC材料的4‑8wt％；所述SiC纤维的长度为4‑8mm。本发明制备的复合包壳管具有高致密度，气密性良好，高强高韧性，高热导率以及优良的耐腐蚀性等特点。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料成型领域，具体涉及一种SiC短纤维复合材料及一种SiC/SiC复合材料制成的复合包壳管，并公开了一种SiC/SiC复合材料制成复合包壳管的制备方法。

背景技术

传统的核反应堆包壳材料是以锆合金为主的金属材料，包壳材料的主要作用是，在正常工况条件或者是意外事故条件下，确保反应堆芯燃料的裂变产物及裂变气体均保留在包壳内部，不能释放到冷却剂或者周围环境中。传统的锆合金存在着较多问题。

第一，耐腐蚀性能差；高温条件下，锆合金与水发生反应，产生氢气，同时锆合金易吸氢脆化，进而包壳破裂，导致裂变产物泄露，造成严重事故，例如日本的福岛事故。第二，高温强度较低；锆合金在1000℃以上，强度发生明显下降，这可能会导致包壳发生破损，造成事故。第三，锆合金的弹性模量和硬度相对于SiC陶瓷低，强共价键的SiC陶瓷的弹性模量高，硬度大，抗摩擦磨损能好，相对于锆合金而言，SiC包壳与芯块接触产生的磨损量少。但是SiC陶瓷的成型性能较差，韧性低，无断裂预警。

为解决SiC/SiC复合材料包壳管制备中成型性能较差的难题，研究人员发明了多种制备方法，包括化学气相沉积法(CVI)，纳米共晶熔渗法(NITE)以及先驱体浸渍裂解法(PIP)等。采用NITE法制备的SiC/SiC复合材料，需要热压烧结，制备大尺寸包壳材料(尺寸超过1m)存在困难。采用CVI法制备SiC/SiC复合材料存在生产周期长，一个周期约为60天，编制纤维束中间存在难以消除的大孔，导致材料整体致密度较低。采用CVI结合树脂裂解法制备SiCf/SiC复合材料，树脂裂解后，通过Si蒸气与裂解残余碳反应形成SiC陶瓷，这有效解决了复合材料气象沉积周期长的缺点，但是复合材料中存在大量气孔，同时，单质Si与游离C难以控制，使得材料存在杂质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有SiC/SiC复合材料包壳管的制备方法导致制备工艺以及制备出的包壳管存在较多缺陷的问题，目的在于提供了一种SiC短纤维复合材料及一种SiC/SiC复合材料制成的复合包壳管，以及一种SiC/SiC复合材料制成复合包壳管的制备方法，解决了CVI，NITE以及PIP工艺制备周期长、致密度低、杂质含量高以及热压烧结困难等技术难题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种SiC短纤维复合材料，包括悬浮液、粘接剂、增塑剂和消泡剂，所述悬浮液包括50-65wt％混合粉体、30-45wt％的溶剂和0.5-5wt％的分散剂；其中，混合粉体由SiC材料和烧结助剂组成，SiC材料由SiC纤维和SiC颗粒组成，SiC纤维和SiC颗粒的体积比为20-40:60-80；烧结助剂占SiC材料的4-8wt％；所述SiC纤维的长度为4-8mm。

本发明通过SiC短纤维复合材料的优化设置，通过致密SiC短纤维(纤维长度6mm)增强SiC陶瓷基体材料；通过添加分散剂将SiC短纤维有效的分散于SiC浆料中，之后通过各组分之间的相互配合，有效增强制备出的包壳管的性能，具有高致密度、气密性良好、高强高韧性、高热导率以及优良的耐腐蚀性等特点；能有效解决现有技术中SiC/SiC复合材料包壳管致密度低、杂质含量高以及热压烧结困难的问题。